CN102257353A - 用于对强反射或透明对象进行三维光学测量的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于对对象进行三维测量的设备，包括：具有第一红外光源以将能运动的第一图案投影到对象上的第一投影装置；和用于拍摄红外光谱范围中的对象图像的至少一个图像拍摄装置。本发明还涉及一种用于对对象进行三维测量的方法，具有步骤：用具有第一红外光源的第一投影装置将第一红外图案投影到对象上；以及用至少一个对于红外辐射敏感的图像拍摄装置来拍摄对象的图像；其中图案在拍摄之间移位。
Description
技术领域
本发明涉及用于以地形测量方法来对对象进行三维测量的一种设备和一种方法。
背景技术
根据地形测量原理借助光学三角测量传感器对对象表面进行三维检测是充分已知的。在此例如将不同的条纹图案投影到要测量的对象上，由一个或多个摄影机观察这些条纹图案并且然后对其进行计算机辅助的分析。分析方法例如是相移方法、光编码方案或者外差方法。
投影仪以相同或不同宽度的平行的明条纹和暗条纹在时间上连续地照射测量对象。根据对象的形状和视向，所投影的条纹图案变形。一个或多个摄影机以与投影方向成已知视角地记录所投影的条纹图案。对于每个投影图案，用每个摄影机拍摄图像。为了对测量进行分析，明条纹和暗条纹之间的边界线（边缘）是决定性的。
为了测量整个对象，图案在对象上运动（扫描）。因此对于所有摄影机的每个像点，存在不同亮度值的时间顺序。摄影机图像中的图像坐标对于给定的对象点是已知的。条纹的数目可以从亮度值的顺序中计算出来，这些亮度值从针对每个摄影机像点的图像序列中测得。在最简单的情况下，这通过二进制码（例如灰度码）进行，该二进制码将条纹的号数标记为投影仪中的离散坐标。
更高的精确性可以用所谓的相移方法来实现，因为相移方法可以确定非离散坐标，其中所调制信号的相位位置通过逐点的强度测量来确定。信号的相位位置在此至少两次被移动一个已知的值，同时在一点上测量强度。从三个或更多个测量值中可以计算出该相位位置。相移方法可以要么用作为灰度编码的补充，要么用作为绝对测量的外差方法（利用多个波长）。
这样的地形测量方法的基础和实际应用例如在Bernd Breuckmann:“Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis”（1993，Franzis-Verlag GmbH，慕尼黑）中被详细描述。
但是如果想要测量非常强反射的对象（例如汽车的涂漆的车身）或者对于可见光甚至透光的对象（例如玻璃面），则迄今为止基于条纹投影的测量系统不能以地形测量方式检测这样的对象，因为在这样的对象的表面上不能看到投影图案。
从DE 202 16 852 U1中已知一种用于检查强反射表面的方案，该方案可以通过反射测定法或偏折测定法（Deflektometrie）来探测例如凸起或凹陷。但是该设备由于测量原理不适于以足够的精确性或必要的分辨率来检测对象，因为横向分辨率太小。
在借助条纹投影对对象进行三维测量时的测量结果的质量强烈地依赖于投影与环境光的对比。
发明内容
鉴于现有技术的缺点，本发明所基于的问题是，提供一种利用地形测量方法对对于可见光透光的或者强烈地反射光的对象进行三维光学测量的设备，该设备提供投影图案在对象上的良好对比。
所述问题通过根据权利要求1的设备和根据权利要求10的方法来解决。
根据本发明用于对对象进行三维测量的设备包括具有第一红外光源以将能运动的第一图案投影到对象上的第一投影装置和用于拍摄红外光谱范围中的对象图像的至少一个图像拍摄装置。
使用红外光来投影图案所具有的优点是，所投影的图案在要测量的对象上作为热分布留下印记，即相应地用投影装置的红外辐射所照射的对象的面与没有这样照射的对象的面相比区别在于温度差。该温度差又以红外波长范围中的辐射——尤其是所谓的例如可以用热成像摄影机拍摄的热辐射——的不同强度来表达。
在此要注意的是，所照射的红外图案的波长范围不一定与由对象所辐射的波长范围一致。与此对应的情况也适用于图像拍摄装置对其敏感的波长范围。
所投影的图案尤其可以被构造为点状的、线状的或面状的。
根据本发明的设备的扩展方案在于，该设备可以包括用第二红外光源来将能运动的第二图案投影到对象上的第二投影装置。通过这种方式可以实现两种图案的组合，其中尤其是可以将第二投影装置布置为使得该第二图案可以从另一方向和以另一角度被投影。
另一扩展方案在于，第一投影装置的第一红外光源具有第一发射面和/或其中第二投影装置的第二红外光源可以具有第二发射面。结合所加热的发射面的高辐射能力，所产生的热被快速和高效地作为红外辐射输出。
另一扩展方案在于，相应的发射面可以通过相应的电阻加热装置来加热。通过电加热功率实现了IR辐射的快速直接调制。
另一扩展方案在于，相应的发射面本身可以定义要投影的图案，或者相应的图案可以通过具有对于红外光为透光的和不透光的面的相应图案元件来定义，其中相应的图案元件布置在相应的发射面与对象之间。
另一扩展方案在于，相应的图案是条纹图案。这所具有的优点是，条纹之间的边缘是直线，其在对象上的变形用图像拍摄装置来拍摄。
另一扩展方案在于，所述设备还包括用于分析由图像拍摄装置所拍摄的图像的分析装置。该分析装置例如可以通过计算单元来实现，在该计算单元上实施用于对所拍摄图像进行地形测量分析的合适程序。尤其是例如可以从线状边缘的变形中回算到对象的对应表面形状上。
另一扩展方案在于，相应的投影装置可以具有配备有发射面的圆柱体，该圆柱体能够绕圆柱体轴转动。这所具有的优点是，可以通过简单的方式将能运动的图案（例如发射面或图案元件的条纹图案）投影到对象上。
另一扩展方案在于，图像拍摄装置可以对于具有如下波长的红外辐射为敏感的：所述波长在1μm至1mm的范围内，优选在3μm至50μm的范围内，特别优选在3μm至15μm的范围内，最优选在3μm至5μm或8μm至14μm的范围内。这尤其是使得能够使用热成像摄影机，该热成像摄影机应用于热像术（Thermografie）并且对于中间的红外范围（3-15μm）是敏感的。对于8至14μm的光谱范围例如可以使用镓-砷探测器或者镉-汞-碲化物探测器。
上述问题还通过根据本发明的用于对对象进行三维测量的方法来解决，该方法具有步骤：用具有第一红外光源的第一投影装置将第一红外图案投影到对象上；并且用至少一个对于红外辐射敏感的图像拍摄装置来拍摄对象的图像；其中图案在拍摄之间移位。
根据本发明的方法的一个扩展方案在于，该方法可以具有以下另外的步骤：用具有第二红外光源的第二投影装置将第二红外图案投影到对象上。
另一扩展方案在于，相应的图案是条纹图案。
另一扩展方案在于，每个图案可以通过相应的投影装置以相应的预先给定的速度在对象上运动。通过这种方式扫描对象，其中用图像拍摄装置（摄影机）进行在时间上移位的拍摄。
另一扩展方案在于，相应的投影装置可以具有配备有相应的发射面的圆柱体，该圆柱体绕其圆柱体轴转动。
另一扩展方案在于，可以用投影装置触发至少一个图像拍摄装置。通过这种方式可以拍摄表面上的预定序列的投影图案组合。
另一扩展方案在于，该方法可以包括另外的步骤：用地形测量分析方法在分析装置中分析由图像拍摄装置所拍摄的图像。由此可以对对象的三维表面结构进行分析。
不同的扩展方案可以彼此独立地使用或者相互组合。
本发明的另外的有利实施方式在下文中参照附图描述。
附图说明
图1示出根据本发明的设备的第一实施方式。
图2示出根据本发明的设备的第二实施方式。
具体实施方式
图1示出利用地形测量方法来对透光的或强反射的对象5进行三维光学测量的根据本发明的设备的第一实施方式，该设备具有至少一个带有高红外光强的投影仪1，以便获得良好的对比度。
投影仪1的红外光源1a基于加热发射面1a的电阻加热装置。结合所加热的发射面的高辐射能力，所产生的热被快速和高效地作为红外辐射输出。此外通过电加热功率实现IR辐射的快速直接调制。在此，发射面在该实施例中直接形成要投影的条纹图案。另一可能性在于，在发射面与对象之间布置具有图案的掩膜。
因为该条纹图案必须在对象5的表面上移动，所以根据本发明的装置提供可运动的条纹图案，该条纹图案例如具有配备有发射面的圆柱体1的形式，该圆柱体1可以绕其圆柱体轴旋转。
具有所投影图案的对象5由热成像摄影机3拍摄。该摄影机的信号或数据然后被输送给分析装置4（例如计算机），在该分析装置4上实施用于地形测量分析的程序。
根据对象5的材料及其导热能力，投影装置1的红外辐射的强度可以如此选择，即使得温度差一方面足够大，以便用图像拍摄装置（摄影机）3检测所照射的和未照射的面之间的边缘（区别），但是另一方面如此小，使得该边缘在拍摄期间由于热扩散而不十分柔和。这点的原因在于，热扩散的持续时间基本上与温度差成反比。通过选择合适的红外辐射强度和在时间上相邻的拍摄之间的合适持续时间，可以实现所照射的和未照射的对象区域之间的良好对比。
图2示出根据本发明的设备的第二实施方式。图1和图2中的相同附图标记表示相同的元件。
与根据图1的第一实施方式相比，第二实施方式具有同样以圆柱体形式的第二投影仪2。这两个圆柱体状的、彼此以所定义的角度旋转的发射图案被投影到对象表面上。在此，两个圆柱体每个都以所定义的速度绕其圆柱体轴旋转。由此新产生的投影图案具有可以更快地和以高分辨率分析的特性。在表面上产生例如特殊的图案，这些图案取决于旋转速度和圆柱体1、2之间的角度并且可以以所定义的方式被调节，以便可以有针对性地更好地分析对象表面的特殊特征。
此外，用投影仪1、2如此触发摄影机3（拍摄单元），即人们可以仅通过触发的变化来分析表面上的附加的特殊图案。
Claims (16)
1.用于对对象（5）进行三维测量的设备，包括：
具有第一红外光源（1a）以将能运动的第一图案投影到对象上的第一投影装置（1）；和
用于拍摄红外光谱范围中的对象图像的至少一个图像拍摄装置（3）。
2.根据权利要求1的设备，包括具有第二红外光源（2a）以将能运动的第二图案投影到对象上的第二投影装置（2）。
3.根据权利要求2的设备，其中第一投影装置的第一红外光源具有第一发射面和/或其中第二投影装置的第二红外光源具有第二发射面。
4.根据权利要求3的设备，其中能够通过相应的电阻加热装置来加热相应的发射面。
5.根据权利要求3或4的设备，其中相应的发射面本身定义要投影的图案，或者其中相应的图案通过具有对于红外光为透光的和不透光的面的相应图案元件来定义，并且相应的图案元件布置在相应的发射面与对象之间。
6.根据前述权利要求之一的设备，其中相应的图案是条纹图案。
7.根据前述权利要求之一的设备，还包括用于分析由图像拍摄装置所拍摄的图像的分析装置（4）。
8.根据权利要求3至6之一的设备，其中相应的投影装置具有配备有发射面的圆柱体，该圆柱体能够绕圆柱体轴转动。
9.根据前述权利要求之一的设备，其中图像拍摄装置对于具有如下波长的红外辐射为敏感的：所述波长在1μm至1mm的范围内，优选在3μm至50μm的范围内，特别优选在3μm至15μm的范围内，最优选在3μm至5μm或8μm至14μm的范围内。
10.用于对对象（5）进行三维测量的方法，具有步骤：
用具有第一红外光源（1a）的第一投影装置（1）将第一红外图案投影到对象上；
用至少一个对于红外辐射敏感的图像拍摄装置（3）来拍摄对象的图像；
其中图案在拍摄之间移位。
11.根据权利要求10的方法，具有另外的步骤：
用具有第二红外光源（2a）的第二投影装置（2）将第二红外图案投影到对象上。
12.根据权利要求11的方法，其中相应的图案是条纹图案。
13.根据权利要求11至12之一的方法，其中每个图案通过相应的投影装置以相应的预先给定的速度在对象上运动。
14.根据权利要求13的方法，其中相应的投影装置具有配备有相应的发射面的圆柱体，该圆柱体绕其圆柱体轴转动。
15.根据权利要求13或14的方法，其中用投影装置触发至少一个图像拍摄装置。
16.根据权利要求10至15之一的方法，具有另外的步骤：
用地形测量分析方法在分析装置（4）中分析由图像拍摄装置所拍摄的图像。
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